Riassunti sistemi elettrici per l'energia, prof. Roberto Benato

REGOLAZIONE DELLA TENSIONE

Le cospicue potenze, attive e reattive, richieste dai carichi devono poter fluire nella rete elettrica di trasmissione e

di distribuzione senza dar luogo a eccessive cadute di tensione, in modo che gli scarti rispetto alla tensione

nominale siano contenuti in limiti tollerabili dagli impianti e dalle apparecchiature sia degli utenti sia dell'ente

stesso che gestisce il servizio, dalla produzione fino alla distribuzione. Un'efficace regolazione della tensione è

subordinata all'appropriata ubicazione e disponibilità di mezzi che consentano di mettere in gioco potenze

reattive atte a compensare quelle assorbite dai carichi e dagli elementi stessi della rete.

La regolazione “primaria e secondaria” di tensioni nelle grandi reti

Soprattutto nelle grandi reti si manifesta sempre più l'esigenza di coordinare in maniera automatica i diversi

interventi fondati principalmente sulla "produzione" di potenza reattiva e sulla possibilità di variare il rapporto nei

trasformatori o autotrasformatori: questo coordinamento si consegue tramite la "regolazione primaria e

secondaria delle tensioni".

La regolazione primaria, caratterizzata da costanti di tempo relativamente brevi dell’ordine di ,

5 ÷ 10

riguarda il controllo automatico degli interventi locali, attuati in diversi nodi tramite compensatori sincroni,

banchi di condensatori, trasformatori a rapporto variabile sottocarico e compensatori reattivi derivativi d’area.

La regolazione secondaria, caratterizzata da costanti di tempo relativamente elevate dell'ordine di ,

50 ÷ 100

è strutturata secondo un'organizzazione "centralizzata" e riguarda il controllo automatico, asservito al livello di

tensione di alcuni "nodi pilota" individuati nella rete, delle potenze reattive ed attive erogate da generatori aventi

adeguata ubicazione nell'ambito della rete stessa.

L'evoluzione delle tensioni e dei flussi di potenza reattiva nella rete (conseguente a un disturbo) risulta

determinata dagli interventi concomitanti delle due regolazioni.

La regolazione della tensione in casi semplici

Si consideri una rete trifase attiva simmetrica il cui comportamento, supposto lineare, può essere ricondotto in

regime equilibrato a quello di un generatore equivalente monofase dove:

 è la tensione stellata fra il morsetto 1 del nodo considerato e il neutro 0 (reale o fittizio), di ampiezza

prossima alla tensione nominale stellata;

 è l’impedenza che si vede, alla sequenza diretta, dal nodo considerato una volta annullate le forze

elettromotrici di ciascuna macchina sincrona in servizio, generalmente caratterizzata da una reattanza

induttiva e da una resistenza piccola rispetto ad .

Si inserisca ora nel nodo considerato un carico che, con un determinato , assorba la corrente di ampiezza ,

cos

in modo tale che con buona approssimazione si possa scrivere:

∆ = cos + sin => 3 ∆ = 3 cos + 3 sin = + =>

=> =3 ∆ −∆ = +

considerando che:

= + ∆ => = −∆

dove e sono la potenza attiva e reattiva trifasi assorbite dal carico, mentre il termine è assunto come

indice della caduta di tensione.

Pertanto, se si impone che l'ampiezza della tensione non cambi al variare del carico, l'equazione ottenuta è

quella di una retta:

=− +

Si supponga di inserire un carico ai morsetti 1,2,3 della rete

trifase. La caratteristica s rappresenta in modo generico i

valori prevedibili che può assumere il carico, ammesso

induttivo. La potenza di compensazione invece varia in

ampiezza al variare del carico stesso, in particolare se si

volesse mantenere costante una data sarebbe

∆ > 0

necessario:

 in corrispondenza di alti carichi (durante il giorno),

introdurre potenze di compensazione di natura

capacitiva;

 in corrispondenza di bassi carichi (durante la

notte), introdurre potenze di compensazione di

natura induttiva.

Regime delle tensioni e delle potenze trasmesse in un collegamento puramente induttivo

Si consideri ora un collegamento costituito da una pura reattanza induttiva . Ci si può ricondurre allora al doppio

bipolo avente i parametri Si ha dunque:

= = 1; = ; = 0.

− −

= =

perciò la potenza apparente all’arrivo vale:

∗ ∗

−

∗

= = = − = −

dalla quale separando la parte reale da quella immaginaria si ottiene:

= cos − + sin − −

2 2

= cos − = sin

2 cos −

= sin − − = cos − =

2

essendo l’angolo di ritardo di rispetto a .

Quando è sufficientemente piccolo, tale per cui:

cos ≅ 1; sin ≅

si può scrivere allora:

≅ −

≅

Pertanto, nel caso di collegamento puramente induttivo si nota:

 la forte dipendenza della dalla reattanza e dall’angolo : perciò la regolazione della frequenza incide

fortemente sulla regolazione della potenza attiva;

 | |:

la forte dipendenza della dalla caduta di tensione perciò la regolazione della

∆ = −

tensione incide fortemente sulla regolazione della potenza reattiva.

Si ha la situazione opposta nel caso di collegamento puramente resistivo.

Provvedimenti per la regolazione della tensione

Se si vogliono limitare gli scarti di tensione nei diversi nodi di una rete di trasmissione e di distribuzione, è

necessario immettere in rete le potenze reattive in nodi non lontani da quelli in cui esse vengono richieste.

Spetta tuttavia all'ente che esercisce la rete completare e regolare la compensazione delle potenze reattive, con i

provvedimenti descritti nel seguito.

Compensatore sincrono

È una macchina sincrona che, una volta avviata e connessa in parallelo con la rete attraverso un trasformatore, si

mantiene in sincronismo assorbendo dalla rete stessa una modesta potenza attiva pari alle proprie perdite

elettriche e meccaniche, mentre eroga alla rete potenza reattiva di tipo induttivo o capacitivo a seconda

dell'eccitazione a cui viene sottoposta.

Si consideri lo schema in cui:

 si esprimono le grandezze in p.u. dove la potenza base è quella di targa della macchina sincrona;

 si trascura l'impedenza di cortocircuito del trasformatore rispetto alla reattanza sincrona ;

 si ammette che la macchina non sia saturata;

 si indica con la tensione di rete e con la tensione indotta dal flusso di eccitazione, essendo l’angolo

di ritardo di rispetto a molto piccolo, tale per cui si può scrivere (essendo la potenza attiva

cos ≅ 1

pari alle perdite elettriche e meccaniche della macchina assai modesta).

La potenza reattiva immessa in rete in p.u. è dunque (ricavata prima per il collegamento puramente induttivo):

−

= => = −

Si ha perciò che un compensatore sincrono:

 sopraeccitato equivale a una capacità, ovvero quando è immessa in rete potenza reattiva

>

induttiva, vale a dire che la potenza reattiva erogata dalla rete verso la macchina è capacitiva;

 sottoeccitato equivale a una induttanza, ovvero quando si ha l’opposto (è immessa in rete

potenza reattiva capacitiva, vale a dire che la rete assorbe potenza reattiva induttiva).

Condensatori statici

Per soddisfare la richiesta di potenza reattiva induttiva è possibile anche l’inserzione di condensatori in

derivazione. Le prestazioni non sono paragonabili con quelle di un compensatore sincrono a causa della

limitazione a un solo campo di potenza reattiva e anche per la difficoltà di procedere a una regolazione,

discontinua, effettuata inserendo e disinserendo successivamente frazioni dell'intera capacità installata nel nodo.

Si ha inoltre che il comportamento di un banco di condensatori nei confronti delle escursioni, che la tensione può

compiere nell'intorno del suo valore nominale, non è soddisfacente: infatti la potenza capacitiva di una data

batteria di condensatori inserita in un nodo è direttamente proporzionale al quadrato della tensione

= => =

e quindi diminuisce sensibilmente all'abbassarsi eventuale della tensione, proprio quando sarebbe necessaria una

maggior potenza di compensazione.

In breve offre una pessima regolazione poiché:

 se la tensione, quindi il punto di lavoro , aumenta, ovvero il carico sta assorbendo meno potenza reattiva induttiva, allora pure il condensatore

dovrebbe diminuire la potenza reattiva capacitiva assorbita, tuttavia avviene l’opposto e il condensatore assorbe una maggiore potenza reattiva

capacitiva;

 avviene l’opposto nel caso in cui la tensione dimunuisce.

Per ovviare a questo problema si utilizzano condensatori variabili (con regolazione a gradini)

OLTC (On Load Tap Changer)

È possibile variare sotto carico i rapporti di trasformazione in molti trasformatori, autotrasformatori e

trasformatori speciali (booster), tuttavia questo non costituisce da solo un sufficiente mezzo per regolare la

tensione (non compensando le potenze reattive, causa prima e preponderante delle cadute di tensione) ma

migliora la ripartizione delle potenze reattive immesse nei vari rami della rete magliata ai vari punti di richiesta.

Nei trasformatori che alimentano le reti diramate di MT la variazione di rapporto sotto carico permette di

compensare le inevitabili fluttuazioni della tensione primaria (dovute sia alla incompleta compensazione delle

potenze reattive sia alle variazioni di potenza attiva) e, in parte, le cadute di tensione a valle.

Si tenga tuttavia presente che, quando si aumenta il rapporto per riportare a valori soddisfacenti la tensione

(nel caso che questa presentasse valore troppo basso), cresce la potenza (soprattutto quella reattiva)

+

assorbita dal carico della rete a MT e si aggrava perciò la caduta di tensione sull'impedenza della rete ad AT:

pertanto si ha (se resta costante) un abbassamento della tensione in e in altri nodi della rete ad AT. Una

soluzione può essere quella di introdurre una batteria di condensatori , che compensi la potenza reattiva ,

evitando che essa fluisca sia nella rete ad AT sia attraverso il trasformatore stesso.

Compensazione reattiva derivativa d’area

I reattori possono essere permanentemente in servizio, alle estremità della linea, specialmente per collegamenti EHV e per linee in cavo ad

alta tensione molto lunghe oppure inseriti e disinseriti in base alle condizioni di carico mediante interruttori appositi. Sono solitamente

inseriti ad entrambe le estremità di una linea in quanto questa può essere energizzata da destra verso sinistra ma anche da sinistra verso

destra. Naturalmente la potenza dei reattori ma anche la loro progettazione in termini di forma e dimensioni dovrà essere calibrata sulla

tipologia di linea, sulla sua estensione, tensione e potenza.

Le necessità di compensazione reattiva sono incre